辣根过氧化物酶催化间苯三酚硝化反应研究

2016-09-05战秀志谭伟强

山东化工 2016年24期

关键词：亚硝酸钠苯三酚缓冲溶液

战秀志，谭伟强

(青岛理工大学环境与市政工程学院生物环保与绿色化工研究中心，山东青岛 266033)

辣根过氧化物酶催化间苯三酚硝化反应研究

战秀志，谭伟强

(青岛理工大学环境与市政工程学院生物环保与绿色化工研究中心，山东青岛 266033)

辣根过氧化物酶；三硝基间苯三酚；硝化反应

2,4,6-三硝基-1,3,5-苯三酚(TNPG)是合成高能钝感炸药2,4,6-三硝基-1,3,5-三氨基苯(TATB)的重要前体原料，传统工艺合成三硝基间苯三酚是以混酸对间苯三酚进行硝化而得[1-5]，反应中由于混酸的稀释腐蚀，生产成本较高，因此，实现TNPG的高效、绿色合成成为亟待解决的重要课题。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 1200型高效液相色谱仪，安捷伦公司；LTQ XL型液质联用仪，美国Thermo公司。

反应试剂均为国产；反应溶剂均为市售分析纯。

1.2 催化硝化反应条件

以间苯三酚为原料，经亚硝酸钠、H2O2和HRP在缓冲溶液中，常温催化硝化反应，反应方程式见式图1。

图1 间苯三酚硝化反应

室温下将辣根过氧化酶(HRP)和100 mL缓冲溶液(0.1 mol/L)加入到带有恒压滴液漏斗的三口烧瓶中。向三口烧瓶中加入亚硝酸钠和间苯三酚(162 mg, 1.0 mmol)，室温搅拌，恒压滴液漏斗缓慢加入过氧化氢的甲醇溶液，滴加完毕后室温搅拌。盐酸调节pH值至5～6，加入3 50 mL乙酸乙酯萃取，无水硫酸钠干燥过夜后，减压浓缩，硅胶柱层析粗分离后，样品经HPLC-MS分析消化产物HPLC-MS见图2。

2 结果与讨论

2.1 反应底物对产物的影响

分别考察了反应底物对硝化产物的影响，结果见表1。可以看出，反应体系中缺少H2O2和亚硝酸钠几乎无硝化产物，适宜pH缓冲溶液会影响硝化产物收率，辣根过氧化酶存在下硝化产率有所提高。从产物上来看，主要以单、三硝化产物存在，三硝化产物收率低于10%。

图2 硝化产物HPLC-MS

反应条件硝化产物收率b/%单硝化三硝化HRP+NO-2+H2O2(CS)～45～10CS-H2O2trace-CS-NO-2trace-CS-buffer～20-CS-HRP～30～5

注：a 反应条件如前述完全体系(CS): 间苯三酚 : 亚硝酸钠:H2O2:HRP=1.0 mmol:20 mmol:3.4 mmol : 0.5 mg, 磷酸盐缓冲溶液 (0.1 M, pH值7.0。b HPLC收率。

结果说明，辣根过氧化酶在一定程度上对硝化反应有促进(催化)作用，缓冲溶液的存在可保持酶的活性，有利于酶催化硝化反应。反应底物中硝化剂是硝化活性中间体的来源，而H2O2是硝化反应进行必不可少的底物。另外，反应体系在无酶的条件下也有硝化产物的生成，这可能与亚硝酸钠在H2O2的存在下易产生硝化活性中间体有关。

2.2 pH值对硝化反应的影响

由于溶液pH值对酶活性影响较大，根据HRP酶活的特点，分别考察了中性、弱酸性和弱碱性缓冲体系对硝化反应及产物的影响，结果见表2。可以看出，缓冲体系酸碱性对硝化反应收率及硝化产物都有影响，弱碱性体系不利于酶催化硝化反应的进行，而弱酸性体系会略降低硝化反应收率，几乎无三硝化产物。

表2 pH值对产物的影响a

注：a 反应条件如前述完全体系(CS): 间苯三酚 : 亚硝酸钠:H2O2:HRP = 1.0 mmol : 20 mmol : 3.4 mmol : 0.5 mg, 磷酸盐缓冲溶液 (0.1 M, pH值 7.0)。b HPLC收率。

结果说明，适当控制溶液的酸碱性有利于酶催化硝化反应的进行，这与HRP在中性介质中高活性有关，另外，适宜的pH值也有利于三硝化产物的生成。

2.3 硝化剂量对硝化反应的影响

为了解硝化剂量对硝化产物的影响，分别以硝化剂量为间苯三酚量的3.2、10和20倍考察对硝化产物的影响，结果见表3。

表3 硝化剂量对产物的影响a

注：a 反应条件: 间苯三酚 : H2O2:HRP=1.0 mmol : 3.4 mmol : 0.5 mg, 磷酸盐缓冲溶液 (0.1 M, pH值 7.0)。b HPLC收率。

从结果可以看出，亚硝酸钠量为间苯三酚3.2倍时，不改变H2O2的量，几乎无三硝化产物的生成，相对单硝化产物的收率也较低(20%)，将亚硝酸钠量提高至10倍时，单硝化产物产物收率提高到45%，同时有三硝化产物生成，而继续提高亚硝酸钠的量，收率和产物几乎不再提高。间苯三酚：NaNO2：H2O2反应比为1：3.2：3.4时收率较低的原因，可能与亚硝酸钠易被氧化有关。

2.4 H2O2浓度对硝化反应的影响

过氧化氢具有较强的氧化性，易氧化间苯三酚，降低硝化反应的收率，为考察过氧化氢对产物的影响，分别考察了不同过氧化氢量下对反应收率的影响，见表4。

表4 催化剂量对产物的影响a

注：a 反应条件: 间苯三酚 : 亚硝酸钠 = 1.0 mmol : 20 mmol , 磷酸盐缓冲溶液 (0.1 M, pH 值7.0), 常温。b HPLC收率。

从结果可以看出，随着H2O2量的加大，硝化产物收率加大，且有三硝化产物，但高浓度的H2O2不利于硝化反应的进行，这与间苯三酚本身易被H2O2氧化有关。

3 结论

系统研究了辣根过氧化物酶作为催化剂对间苯三酚的硝化反应，考察了反应底物、pH、硝化剂量和H2O2浓度对硝化反应及产物的影响。结果表明，辣根过氧化物酶作为催化剂可有效的催化间苯三酚硝化反应，反应条件对催化活性和产物影响较大，间苯三酚：亚硝酸钠： H2O2= 1.0 mmol : 20 mmol : 3.4 mmol，体系pH值为7时，硝化反应收率最高可达45%，且有三硝化产物生成，为实现TNPG的绿色合成提供了一种新的方法。

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(本文文献格式：战秀志，谭伟强.辣根过氧化物酶催化间苯三酚硝化反应研究[J].山东化工，2016，45(24)：28-29，31.)

Nitration of Phloroglucinol Catalyzed by Horseradish Peroxidase

Zhan Xiuzhi, Tan Weiqiang

(Research Center of Environmental Biology and Green Chemistry, School of Environmental and Municipal Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China)